鏈齒式殘膜回收與驅動耙聯合作業機的設計研究

張 佳,靳 偉,謝新亞,李川江,張宇濤

(1.新疆工程學院 機械電子學院,烏魯木齊 830023;2.新疆農業大學 機電工程學院,烏魯木齊 830052;3.新疆新研牧神科技有限公司,烏魯木齊 830013)

0 引言

新疆北疆為旱半干旱地區,主要種植棉花、番茄等經濟作物。2017年,新疆棉花種植面積達到193萬hm2,地膜覆蓋面積達種植面積80%以上。目前,使用的聚乙烯地膜降解周期長,殘膜回收不及時,在田間大量累積,造成“白色污染”,且影響種子的正常發育,給生態環境、土壤結構及作物生長發育造成了嚴重影響[1-2]。

近幾年,殘膜污染的綜合治理主要包括生物降解膜技術和殘膜機械回收技術。生物降解膜技術由于成本高還處于試用及研究階段,新疆主要依靠殘膜回收機械回收殘膜。目前,使用的殘膜回收機主要分為摟耙式、彈齒式、伸縮桿齒式等類型:摟耙式結構簡單、成本低,但殘膜回收率較低,為70%左右,使用較普遍的殘膜回收作業機主要是摟耙式和拔桿起膜式。摟耙式殘膜回收機雖然作業效率較高,但殘膜回收率較低;伸縮桿式殘膜回收機回收效率高,但可靠性較差,且需要人工配合撿拾。這些殘膜回收機械普遍的特點是功能單一,主要完成殘膜回收作業,使用成本較高[3-5]。因此,采用整地和殘膜回收聯合作業,一次性完成兩項作業,可減少拖拉機的作業次數和降低農田種植成本,也是符合我國實際國情的殘膜回收機械的發展趨勢。

1 總體結構設計及工作原理

1.1 整機結構

該作業機將驅動耙和鏈齒式殘膜回收機結合,完成對田地的松土、殘膜回收及整地作業,主要由驅動耙、挑膜機構、脫膜機構、集膜箱和鎮壓輥組成,如圖1所示。

1.驅動耙 2.仿形輪 3.挑模機構 4.起膜鏟 5.集膜箱 6.鎮壓輥 7.行走輪 8.卸膜結構

1.2 工作原理

該作業機由58.8kW以上拖拉機懸掛,拖拉機動力輸出軸轉速為540r/min,驅動驅動耙的粑齒旋轉,將田地中深15cm內的土壤破碎;隨后,由挑膜機構將田地土壤中深10cm內的殘膜挑起,隨著挑模機構的旋轉,殘膜不斷被輸送至后方的卸膜機構處;卸膜機構將殘膜從挑膜機構上脫落至集膜箱,隨后鎮壓輥對驅動耙破碎后的土壤平整壓實[6]。作業完成后,可控制行走輪液壓缸將行走輪下降至地面,鎮壓輥相對抬起,由行走輪支撐行走。

2 關鍵零部件的設計

2.1 挑膜機構的設計

2.1.1 挑膜機構的結構

挑膜機構是決定殘膜回收機殘膜回收效果的核心部件[7]。根據新疆棉花田間殘膜及土壤的特點,本設計采用鏈齒式挑膜機構,配合起膜鏟及膜土分離板完成將土壤中的殘膜挑起及膜土分離作業。挑膜機構由大輥筒、小輥筒、傳動鏈及等距布置在傳動鏈上的彈齒構成,如圖2所示。鏈齒式挑膜機構受到的土壤阻力及圓周驅動力較大,設定主動輪大輥筒的直徑為40cm,從動輪小輥筒的直徑為30cm,大輥筒與小輥筒的軸距為160cm。

1.大輥筒 2.彈齒 3.輸送鏈 4.小輥筒 5.膜土分離板 6.起膜鏟

工作時,挑膜結構的旋轉方向與拖拉機地輪轉向相同,實現入土挑膜—膜土輸送—膜土分離—脫膜入箱—入土挑膜的循環作業。此過程中,彈齒的入土深度、彈齒入土角度、輸送鏈轉速及輸送鏈的角度都是影響挑模機構挑膜效果的重要指標,為找到挑膜機構的工作最佳參數,需要對彈齒的運動軌跡進行分析。

2.1.2 挑膜彈齒的運動分析

彈齒齒尖的運動軌跡如圖3所示。

圖3 彈齒齒尖的運動軌跡

設挑膜機構大輥筒的軸心O1點為坐標原點,殘膜回收機的前行方向為x軸正方向,殘膜回收機以勻速速度v1前進,大輥筒以角速度ω勻速旋轉,經時間t后,大輥筒轉動α角度;此時,大輥筒的軸心到達O2點,以某一彈齒齒尖A點作為初始相位,彈齒的運動軌跡為L[8]。

彈齒齒尖A點的運動方程為

(1)

式中v1—挑模機構的前進速度(m/s);

v2—彈齒圓周線速度(m/s);

ω—挑膜機構轉動角速度(rad/s);

R—彈齒的旋轉半徑(m);

H—挑膜深度(cm)。

由公式(1)可知:彈齒的運動軌跡與作業機前進速度v1、彈齒的回轉半徑R,以及挑模機構的旋轉角速度ω有關,由式(1)對時間微分求得彈齒齒尖的運動速度為

(2)

已知v2=ωR,令

(3)

結合公式(1)和公式(3),可得

(4)

彈齒的線速度v2與拖拉機前進速度v1的比稱作挑膜機構的輪轉速比λ[9]。由公式(4)可以推出彈齒的運動軌跡為擺線,輪轉速比λ的大小直接影響挑膜效果。當λ小于1、λ等于1和λ大于1時,彈齒的運動軌跡大致如圖4所示。

圖4 不同λ值時彈齒齒尖的運動軌跡

由圖4可以看出:當λ≤1時,彈齒在水平方向的絕對速度與拖拉機前行方向相同,沒有形成向后的相對速度,即不能挑膜;當λ>1時,彈齒在土壤內有相對前進方向相反的速度,故可以完成挑起殘膜[8]。

合適的輪轉速比值大小是挑膜效果好壞的關鍵因素。λ值過小,可能出現漏挑的現象,起膜鏟也會出現土壤堆積;λ值過大,與土壤產生的沖擊力增大,影響彈齒的壽命。因此,設計輪轉速比λ為4～6。

2.1.3 挑膜彈齒的入土傾角

鏈齒式挑模機構的入土傾角的大小直接關系挑膜效果[10]。入土傾角過大,彈齒的挑膜區域大,入土深度更深,彈齒收到的載荷較大,容易發生彈齒斷裂或變形;反之,入土傾角過小,彈齒的挑膜區域小,挑膜深度較淺,挑膜效果不好,如圖5所示。

圖5 挑膜彈齒的入土傾角

彈齒的回轉半徑R,挑膜深度為H,則入土傾角θ為

(5)

由公式(5)可得

(6)

式中R—彈齒的旋轉半徑(m);

H—挑膜深度(cm)。

由公式(6)可以看出:彈齒的入土傾角與入土深度和彈齒的回轉半徑有關,彈齒的入土傾角與彈齒入土深度呈反比,與彈齒的回轉半徑呈正比。考慮的土壤中殘膜的分布情況及土壤阻力對彈齒的影響,彈齒入土深度選取11cm。彈齒的回轉半徑為大輥筒半徑與彈齒長度之和,彈齒長度為18cm,大輥筒半徑為20cm,即彈齒的回轉半徑為38cm。經計算,彈齒的入土角度為45.2°。

2.2 膜土分離板的設計

挑模機構將殘膜及夾帶的土塊挑起,進入膜土輸送及膜土分離段,如圖6所示。膜土分離板設置于挑模機構下方,與挑模機構下端鏈長度方向平行,為了輸送殘膜順暢以及殘膜不滑落,膜土分離板與彈齒之間的距離為5～10mm。

膜土分離板的作用為將殘膜和挑起土塊分離,并輸送殘膜。本裝置的膜土分離板結構為長度、寬度均與鏈齒式挑模機構相同,兩側設置擋板,在膜土分離板上開設有15mm的通孔,土塊從膜土分離板的通孔中掉落,殘膜被輸送前行。被挑起的殘膜和土塊在輸送過程中受力分析如圖6所示。

圖6 殘膜和土塊在輸送過程中受力分析

殘膜和土塊在輸送過程中的受力平衡方程為

(7)

式中N—膜土分離板對殘膜及土塊的反作用力(N);

Gm—殘膜及土塊自身的重力(N);

δ—膜土分離板與水平面夾角(°);

Fs—彈齒對殘膜及土壤的作用力(N);

fb—殘膜及土壤與膜土分離板之間的摩擦力(N);

μ—膜土分離板與殘膜及土壤的摩擦因數,取μ=0.25～0.35。

由式(7)得

(8)

由式(8)可知:殘膜在膜土分離板上輸送時,彈齒對殘膜的作用力與膜土分離板的傾角、殘膜及土壤的質量有關:傾角越小,越容易輸送殘膜,但會增加膜土分離板的長度以滿足高度需要。傾角越大,殘膜及土壤容易隨膜土分離板滑落。經計算及試驗,δ取40～45°為宜。

2.3 卸膜機構的設計

卸膜機構是影響殘膜回收機回收效果的重要因素之一[11],卸膜機構主要包括傳動軸及圓周等分設置在傳動軸上的9排梳齒;相鄰兩排梳齒之間的夾角與小輥筒上相鄰兩排彈齒的夾角相同,均為40°;梳齒的長度為300mm,每排梳齒中齒與齒的間距為30mm。卸膜機構工作原理如圖7所示。圖7中,ω1為挑模機構滾筒角速度(rad/s);ω2為卸膜機構角速度(rad/s)。

1.膜土分離板 2.彈齒 3.小輥筒 4.卸膜機構

2.4 其他部件

2.4.1 驅動耙的選用

根據作業機的幅寬及拖拉機的動力輸出,選用由新疆機械研究院股份有限公司生產的牧神1BX-2.0型驅動耙,工作幅寬為2.0m,配套動力58.8kW,整地效果好,破碎效果高,且便于在驅動耙的輸出軸加設變速箱,連接后方的殘膜回收部件,用于給挑模機構及卸膜機構提供動力。

2.4.2 行走支撐輪的設計

作業機具備殘膜回收及整地兩項作業,整地作業由前方的驅動耙及后方的鎮壓輥共同完成,鎮壓輥與前部殘膜回收機可拆卸式連接。

在殘膜回收機后方加設鎮壓輥可以將土壤破碎并平整,但同時也增加的作業機的長度。為了便于非作業時行走不破壞路面,在其后方加設了行走支撐輪,結構原理如圖8所示。在鎮壓輥兩側安裝有鎮壓輥機架,液壓缸尾端與鎮壓輥機架后上方鉸接,液壓缸活塞桿頭端與鉸接梁鉸接,鉸接梁一端與鎮壓輥機架前方鉸接,另一端安裝支撐輪。當非作業行走時,可將液壓缸活塞桿伸出,鉸接梁沿前方鉸接點轉動,支撐輪相對下降,將鎮壓輥升起,便可由支撐輪支撐行走。

1.殘膜回收機尾部 2.鎮壓輥機架 3.液壓缸 4.支撐輪 5.鉸接梁 6.鎮壓輥

3 挑膜結構試驗

3.1 試驗設計

本次試驗通過電子秤測出殘膜挑出的質量與土壤內未挑出的質量,由公式(9)算出殘膜回收率。本試驗確定的試驗因素有拖拉機前進速度(A)、輪速比(B)、挑膜彈齒的入土深度(C)和誤差項(D),試驗因素編碼如表1所示。因素的取值范圍:拖拉機前進速度v分別為1、1.5、2km/h;輪速比分別為3.2、5.6、13.8km/h;挑膜彈齒的入土深度分別為:5、10、15cm。

殘膜挑起率計算公式為

(9)

式中M1—被挑起的殘膜質量(kg);

M2—未被挑起的殘膜質量(kg)。

3.2 試驗結果與數據分析

根據試驗需要,正交試驗采用三水平四因素的正交表L9(34)來安排試驗,試驗數據是每一組合重復2～3次試驗,并求其平均值。試驗方案和結果如表2所示,方差分析如表3所示。

表1 挑膜機構試驗因素編碼表

續表1

表2 試驗方案和結果

表3 試驗結果方差分析

1)采用綜合平衡法考慮殘膜挑起率。由表2可知:因素對殘膜挑起率的影響順序為B(輪速比)、C(入土深度)、A(前進速度),其最優水平組合為B2C3A2。

2)經方差分析,由表3可知:考察試驗指標挑膜率在顯著性水平0.1上,因素B(輪速比)顯著。

4 結論

1)新疆棉花種植在秋收后田中存在大量殘膜,在來年春季需要整地、翻地、殘膜回收等作業,針對于傳統殘膜回收機械功能單一的問題,設計了一種驅動耙殘膜回收聯合作業機,主要包括驅動耙、挑膜機構、起膜鏟、膜土分離板、卸膜機構、集膜箱及鎮壓輥等部件,可一次完成殘膜回收及整地作業。

2)分析了齒鏈式挑模機構挑膜彈齒的運動軌跡,試驗結果表明:當作業機前進速度為1.5m/s、挑模機構的輪轉速比λ=5、彈齒入土深度為10～11cm時,挑模機構的工作性能最佳。經計算,彈齒的最佳入土角度為45.2°。

3)設計了膜土分離板和卸膜機構的結構,并對殘膜和土塊在膜土分離板輸送過程中的受力進行分析,結果表明:彈齒對殘膜的作用力與膜土分離板的傾角、殘膜及土壤的質量有關;傾角越小,越容易輸送殘膜;傾角越大,殘膜及土壤容易隨膜土分離板滑落。經計算,膜土分離板的傾角取40°～45°為宜。